淺埋綜采工作面區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化

任建喜， 林海， 易歸， 張琨

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054)

隨著國(guó)家煤炭開(kāi)采的需要，近年來(lái)淺埋煤層開(kāi)采強(qiáng)度不斷增大，由于煤礦安全高效開(kāi)采的需要，合理保護(hù)煤柱寬度的留設(shè)問(wèn)題亟待解決，還要達(dá)到煤炭資源的合理節(jié)約和充分應(yīng)用[1-4]。煤柱寬度留設(shè)過(guò)寬，會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，煤柱寬度留設(shè)過(guò)窄，雖然能節(jié)約資源，但煤柱支承應(yīng)力過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于順槽安全使用[5-6]。因此，專家在縮短護(hù)巷煤柱寬度方面做了大量研究。目前護(hù)巷煤柱合理寬度的研究主要是采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或數(shù)值模擬分析等方法[7]。祁方坤等[8]采用護(hù)巷煤柱體的極限平衡理論，得出了護(hù)巷窄煤柱合理寬度的上限值和下限值的表達(dá)式。余學(xué)義等[9]和田臣[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法研究了巷間煤柱受雙巷掘進(jìn)及兩次采動(dòng)過(guò)程中的破壞規(guī)律以及不同煤柱寬度的應(yīng)力變化規(guī)律、彈塑性區(qū)域范圍和巷道圍巖變形規(guī)律。康繼忠等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析，建立了工作面回采過(guò)程中不同寬度區(qū)段煤柱的力學(xué)模型，對(duì)比分析了不同煤柱寬度時(shí)圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)分布規(guī)律的差異。谷栓成等[12]通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬的方法，建立臨界狀態(tài)下煤柱彈塑性方程，給出了煤柱塑性區(qū)計(jì)算式。張志沛等[13]通過(guò)數(shù)值模擬研究某煤礦緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱，得出了緩傾斜厚煤層的合理煤柱寬度。

目前國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者已經(jīng)在煤柱寬度研究方面取得了豐碩成果，但研究還存在以下問(wèn)題：首先，大多都熱衷于對(duì)厚煤層或深埋區(qū)域的煤柱研究,對(duì)淺埋近水平中厚煤層煤柱缺乏系統(tǒng)性的研究成果；其次，綜合考慮不同煤柱寬度下回采后煤柱彈性區(qū)寬度、煤柱支承壓力變化以及順槽圍巖變形共同作用的研究成果有待完善；最后，由于煤礦開(kāi)采工程地質(zhì)條件多變，煤層地質(zhì)賦存復(fù)雜，沒(méi)有統(tǒng)一的普適規(guī)律，需要結(jié)合回采過(guò)程中的順槽圍巖構(gòu)造及煤柱變形破壞特性，采用多種方法進(jìn)行綜合分析。因此，現(xiàn)基于龍華煤礦30203工作面地質(zhì)條件和開(kāi)采條件，采用理論分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬等方法，開(kāi)展淺埋煤層綜采工作面順槽煤柱優(yōu)化研究工作，以期達(dá)到提高回采率的目的，實(shí)現(xiàn)綠色高效開(kāi)采的目標(biāo)，為類似條件的工作面的煤柱寬度留設(shè)提供參考。

1 工程概況

龍華煤礦30203工作面埋深不超過(guò)150 m，屬于淺埋煤層[14]。該工作面所采煤層屬于延安組第三段3-1煤層，該工作面煤層厚度為2.7～3.02 m，平均厚度為2.88 m，屬中厚煤層,傾角1°～3°，平均1°，屬近水平煤層，抗壓強(qiáng)度為16.92 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.32 MPa。3-1煤頂板為中細(xì)粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，抗壓強(qiáng)度為29.9～56.9 MPa。3-1煤層直接底板為薄層泥巖或粉砂巖，間接底板為細(xì)粒砂巖。該工作面走向長(zhǎng)2 728 m，傾向長(zhǎng)295 m，工作面埋深為80～135 m。

2 工作面區(qū)段煤柱松動(dòng)圈規(guī)律實(shí)測(cè)及塑性區(qū)研究

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)段設(shè)置

30203綜采工作面在開(kāi)始回采時(shí)，在30203綜采工作面分別設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段，即在輔運(yùn)順槽側(cè)煤柱設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段，在主運(yùn)順槽側(cè)煤柱設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段，在橫川處設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段，并進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示。

圖1 30203工作面順槽監(jiān)測(cè)區(qū)段分布圖Fig.1 Distribution diagram of 30203 working face grooving monitoring section

2.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

監(jiān)測(cè)區(qū)段一(距離30203工作面切眼420 m處)：布置1組煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)主運(yùn)順槽煤柱支承應(yīng)力；布置1個(gè)頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測(cè)主運(yùn)順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測(cè)區(qū)段二(距離30203工作面切眼100 m處)：布置1組煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)輔運(yùn)順槽煤柱支承應(yīng)力；布置1個(gè)頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測(cè)輔運(yùn)順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測(cè)區(qū)段三(距離30203工作面切眼330 m處)：布置1組幫部數(shù)字成像孔，監(jiān)測(cè)主運(yùn)順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測(cè)區(qū)段四、區(qū)段五與監(jiān)測(cè)區(qū)段三布置一致，間距為30 m。監(jiān)測(cè)區(qū)段六(距離30203工作面切眼400 m處)：布置1組頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)巷圍巖破碎情況。以監(jiān)測(cè)區(qū)段一為例，儀器布置圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)段儀器布置圖Fig.2 Instrument layout of the monitoring section

2.3 30203工作面區(qū)段煤柱圍巖松動(dòng)區(qū)范圍

采用武漢長(zhǎng)盛公司研發(fā)的數(shù)字鉆孔成像儀對(duì)煤柱兩側(cè)的不同階段進(jìn)行數(shù)字鉆孔成像，分析煤柱鉆孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育，破碎情況，得出30203工作面區(qū)段煤柱松動(dòng)區(qū)范圍，如表1所示。

表1 30203工作面區(qū)段煤柱松動(dòng)區(qū)范圍Table 1 Range of coal pillar loose zone in 30203 working face section

2.4 不同深度煤柱支承壓力變化規(guī)律及塑性區(qū)分析

30203主運(yùn)順槽煤柱支承壓力監(jiān)測(cè)斷面布置在30203工作面主運(yùn)順槽距切眼420 m位置處，即監(jiān)測(cè)斷面一；30203輔運(yùn)順槽煤柱支承壓力監(jiān)測(cè)斷面布置在30203工作面輔運(yùn)順槽距切眼100 m位置處，即監(jiān)測(cè)斷面二。孔深1～5 m范圍內(nèi)，相鄰孔深相差1 m，間距1 m，5～10 m范圍內(nèi)，間距1 m，對(duì)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 順槽區(qū)段煤柱支承壓力監(jiān)測(cè)變化曲線Fig.3 Monitoring curve of abutment pressure of coal pillar in caving section

由圖3(a)所示，30203主運(yùn)煤柱測(cè)點(diǎn)3、4 m同時(shí)在距工作面25 m左右出現(xiàn)突然增大，壓力增速逐漸加快,說(shuō)明測(cè)點(diǎn)處煤體進(jìn)入塑性區(qū)。因此，判定30203主運(yùn)煤柱塑性區(qū)為4 m左右。由圖3(b)可知，30203輔運(yùn)煤柱測(cè)點(diǎn)1、2、3、10 m同時(shí)在距工作面20 m左右出現(xiàn)突然增大，壓力增速逐漸加快，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)處煤體進(jìn)入塑性區(qū)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面-55～-45 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)支承壓力達(dá)到了峰值。因此，判定30203輔運(yùn)煤柱塑性區(qū)為3 m左右。

綜上分析，30203區(qū)段煤柱兩側(cè)呈現(xiàn)非對(duì)稱變形破壞，由于主運(yùn)一側(cè)煤柱靠近采空區(qū)，煤柱支承壓力更大，因此，主運(yùn)煤柱塑性區(qū)比輔運(yùn)煤柱塑性區(qū)寬1 m。

3 煤柱合理寬度留設(shè)理論分析

3.1 基于彈性核理論煤柱合理寬度留設(shè)分析

彈性核理論將綜采工作面區(qū)段煤柱劃分為彈性核區(qū)和兩側(cè)的松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)[15]。根據(jù)圍巖應(yīng)力及圍巖變形受力特性，煤柱支承壓力分布區(qū)域中的降低區(qū)、升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)分別對(duì)應(yīng)于煤柱的松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和彈性核。具體如圖4所示。

Ⅰ為應(yīng)力降低區(qū)；Ⅱ?yàn)閼?yīng)力升高區(qū)；Ⅲ為原巖應(yīng)力區(qū)；σy為煤柱的 支承壓力；x為彈性核范圍；γ為上覆巖層平均容重;H為開(kāi)采深度圖4 順槽煤柱支承壓力分布特征Fig.4 Abutment pressure distribution characteristics of coal pillar along the chute

當(dāng)煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性破壞變形后，中間有一段原巖應(yīng)力區(qū)，處于彈性狀態(tài)，其寬度應(yīng)大于煤層采高的兩倍，這樣才能確保煤柱處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)煤層開(kāi)采高度，煤柱塑性區(qū)范圍以及煤柱松動(dòng)區(qū)范圍可以計(jì)算出煤柱留設(shè)的理論寬度。具體計(jì)算公式為

x1≥2h+x2+x3

(1)

式(1)中：x1為煤柱留設(shè)寬度，m；h為順槽采高，m；x2為煤柱塑性區(qū)寬度，m；x3為煤柱松動(dòng)區(qū)寬度，m。

3.2 煤柱塑性區(qū)模型的建立與求解

圖5 塑性區(qū)力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of plastic zone

采用彈性核理論和拋物線強(qiáng)度理論，取煤柱里的一個(gè)微元為研究對(duì)象，列出平衡微分方程和極限平衡方程。

τ2=A(σ+B)

(2)

(3)

B=σt

(4)

式中：τ為切向應(yīng)力；σc為3-1煤的抗壓強(qiáng)度；σt為3-1煤的抗拉強(qiáng)度。

建立平衡微分方程求解：

(5)

將式(2)代入式(5)可得

(6)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)：

τxz=f(x)g(x)

(7)

式(7)中：f(x)g(x)為微分方程的函數(shù)解。

將式(7)代入式(6)可得

(8)

(9)

式中：C1為常數(shù)。

由于煤柱高度與埋深相比很小，可認(rèn)為煤柱豎向和水平應(yīng)力在該高度范圍內(nèi)不變，則f(z)為常數(shù)。

由力學(xué)模型中邊界條件可得

(10)

當(dāng)x=Lp時(shí)，σx=σxl

(11)

式(11)中：Lp為煤柱塑性區(qū)的寬度。

將式(10)和式(11)代入式(9)，并考慮工作面的采動(dòng)影響，得到煤柱塑性區(qū)的寬度為

(12)

式(12)中：d為采動(dòng)影響因子，取1.5～3.0；M為所采煤層厚度。

3.3 煤柱寬度的求解

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及礦上給的地質(zhì)資料，模型物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

將各個(gè)參數(shù)代入式(12)，求得煤柱塑性區(qū)寬度Lp為3.2 m。

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，優(yōu)化前采空區(qū)側(cè)松動(dòng)區(qū)范圍為0.6～0.8 m，優(yōu)化前輔運(yùn)順槽側(cè)松動(dòng)區(qū)為0.4 m。由式(1)可知，煤柱優(yōu)化后的寬度至少為13.4 m，即理論上煤柱可優(yōu)化的寬度至多為6.6 m。

4 煤柱寬度優(yōu)化FLAC3D模擬

4.1 模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值軟件，給定20.0、17.0、15.0、12.0 m的4種煤柱寬度，模擬過(guò)程中本構(gòu)模型選取FLAC3D軟件中內(nèi)置的摩爾-庫(kù)侖模型。模型建立過(guò)程中，嚴(yán)格按照地層資料、巷道尺寸及工作面尺寸，3-1煤煤層平均埋深為112 m，采空區(qū)寬度為300 m。模型尺寸為500 m×10 m×150 m(長(zhǎng)×寬×高)，順槽斷面為寬×高=6.0 m×3.0 m，共有104 640個(gè)單元格，127 458個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體模型如圖6所示。

4.2 邊界條件及巖層物理力學(xué)參數(shù)的確定

模型上邊界按上部覆巖自重確定；左右邊界分別設(shè)置零位移的邊界條件，故在模型左右兩側(cè)均加入水平約束；下部邊界為全約束邊界。模型尺寸為500 m×10 m×150 m(長(zhǎng)×寬×高)，順槽斷面為寬×高=6.0 m×3.0 m，共有209 280個(gè)單元，254 916個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及地質(zhì)資料，模型巖層層位(從上到下)及物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖6 模擬計(jì)算模型Fig.6 Computational model

表3 巖層物理力學(xué)參數(shù)表Table 3 Physical and mechanical parameters of rock strata

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 煤柱彈性區(qū)計(jì)算結(jié)果

實(shí)體煤巷道開(kāi)挖后，根據(jù)實(shí)際工作面推進(jìn)模擬計(jì)算，分別顯示出不同寬度煤柱在回采過(guò)后的塑性區(qū)域范圍，如圖7所示。圖7(a)～圖7(c)中，藍(lán)色、紅色區(qū)域代表塑性區(qū)，綠色區(qū)域代表彈性區(qū)。圖7(d)中藍(lán)色、綠色代表塑性區(qū)，紅色區(qū)域代表彈性區(qū)。

圖7 回采后不同煤柱寬度下的塑性區(qū)范圍Fig.7 Range of plastic zone under different coal pillar widths after stoping

由圖7可知，在20、17、15 m煤柱條件下，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度分別為3、3、3 m，輔運(yùn)順槽側(cè)塑性區(qū)寬度分別為4、3、3 m，煤柱的彈性區(qū)寬度分別為13、11、9 m，均大于2倍的采高(2×3=6 m)；在煤柱寬度為12 m時(shí)，采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為2 m，輔順側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為4 m，煤柱的彈性區(qū)寬度為6 m，不大于2倍的采高(2×3 m=6 m)，不能保證區(qū)段煤柱的安全穩(wěn)定。

4.3.2 煤柱支承壓力分布規(guī)律

模擬計(jì)算中在煤柱寬度范圍內(nèi)，從左至右每隔1 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)煤柱豎向應(yīng)力，具體如圖8所示。

圖8 不同煤柱寬度下支承壓力分布曲線Fig.8 Abutment pressure distribution curve under different coal pillar widths

由圖8可知，煤柱支承壓力呈現(xiàn)馬鞍形分布規(guī)律，隨著煤柱寬度從20 m減小到12 m，煤柱支承壓力的峰值也由14.14 MPa增長(zhǎng)到15.68 MPa，峰值點(diǎn)處表明采空區(qū)側(cè)煤體開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)。彈性區(qū)范圍內(nèi)煤柱支承壓力隨著距采空區(qū)側(cè)煤柱壁的水平距離的減小呈線性增加的趨勢(shì)，在20、17、15 m煤柱寬度下，其彈性區(qū)寬度分別為13、10、9 m，均大于兩倍的采高，而在12 m寬度下，彈性區(qū)的寬度為5 m，小于兩倍的采高，不能保證區(qū)段煤柱的安全穩(wěn)定。

4.3.3 順槽圍巖變形結(jié)果

為了得到回采過(guò)程中順槽頂板下沉量和兩幫收斂變形量，計(jì)算過(guò)程中在輔運(yùn)順槽布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到了輔運(yùn)順槽圍巖變形值，具體如表4所示。

表4 不同工況下輔運(yùn)順槽圍巖變形結(jié)果表Table 4 Deformation results of surrounding rock in the lower auxiliary transport tunnel under different working conditions

在30203工作面回采過(guò)程時(shí)，輔運(yùn)順槽會(huì)受到回采動(dòng)壓和煤柱寬度的影響，當(dāng)煤柱寬度為20、17、15 m時(shí)，輔運(yùn)順槽圍巖變形較小，頂板下沉量與兩幫收斂值都在可控的安全范圍內(nèi)，當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，輔運(yùn)順槽圍巖變形比較大，不滿足順槽安全穩(wěn)定的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)研究

以30205工作面為優(yōu)化對(duì)象，區(qū)段留設(shè)煤柱寬度為15 m。對(duì)煤柱圍巖變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)觀測(cè)，選取了 3 個(gè)斷面位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。其兩幫收斂最大值為42.3 mm，頂板下沉量最大值為64.8 mm，均處在安全許可范圍內(nèi)，順槽圍巖基本穩(wěn)定。說(shuō)明區(qū)段留設(shè)煤柱寬度設(shè)為15 m是合理的。

表5 30205工作面監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形結(jié)果表Table 5 Surrounding rock deformation results of monitoring section of 30205 working face

6 結(jié)論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得20 m煤柱寬度下，采空區(qū)側(cè)煤柱松動(dòng)區(qū)范圍為0.6～0.8 m，塑性區(qū)范圍為4 m；輔運(yùn)順槽側(cè)煤柱松動(dòng)區(qū)范圍為0.4 m，塑性區(qū)范圍為3 m。彈性區(qū)寬度為11.8 m，大于兩倍采高。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有20 m煤柱煤柱寬度有優(yōu)化的空間。

(2)通過(guò)理論分析，采用彈性核理論和拋物線強(qiáng)度理論，計(jì)算可得煤柱塑性區(qū)寬度為3.2 m，煤柱優(yōu)化后的寬度至少為13.4 m，即理論上煤柱可優(yōu)化的寬度至多為6.6 m。

(3)通過(guò)FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行模擬不同的工況，對(duì)不同煤柱寬度下回采后煤柱彈性區(qū)寬度、煤柱支承壓力變化分布以及順槽圍巖變形進(jìn)行了分析，將30203工作面留設(shè)煤柱寬度由原來(lái)的20 m優(yōu)化到15 m，能夠保證工作面回采過(guò)后煤柱及輔運(yùn)順槽的安全穩(wěn)定。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明：順槽圍巖基本穩(wěn)定。說(shuō)明區(qū)段留設(shè)煤柱寬度設(shè)為15 m是合理的，增加了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。